单向步进式超声波电机的动力学模型和实验研究

Close-loop control systems have been widely employed in ultrasonic motors for stepping motion. However, the complicated control systems limit the application of ultrasonic motors in miniaturization and high reliability fields. In this project, a single direction stepping ultrasonic motor is studied. The radial vibration mode is used in the design, and the stepping motion with different stepping angles is realized by the coordination of the rotor groove and the spring blades which push the rotor directly without any high polymer friction material. A single-phase voltage excites the ultrasonic motor in both driving and position working modes. There is no accumulated error in the stepping ultrasonic motor with an open-loop system. The structures of stator and rotor are designed and optimized by establishing the startup model, stepping model and friction model of stator and rotor. The corresponding startup and stepping driving circuit is developed, and then the characteristics of prototypes are tested and verified. A comprehensive method is established includes calculation, optimization design and testing techniques for a radial vibration stepping ultrasonic motor. On the one hand, ultrasonic motors realize the accurate stepping motion with the same reliability as the traditional electromagnetic motors. On the other hand, the stepping ultrasonic motors have the same excellent output characteristics as the same size travelling wave ultrasonic motor, and show the advantages of ultrasonic motors.

超声波电机通常采用闭环控制系统实现步进定位。复杂的控制系统在一定程度上制约了超声波电机在微型化、高可靠性产品中的应用。申请人研究一种单向步进式超声波电机，该电机采用径向振动的工作模态，弹性叶片径向振动驱动无高分子摩擦材料的转子，转子开槽设计与弹性叶片配合实现不同的步距角运转，单相电压的激励方式完成驱动和定位两种工作状态，实现超声波电机开环控制下的无累积误差步进运行。通过建立定转子启动、步进定位和摩擦传动模型，设计并优化电机的定转子结构，设计相匹配的启动、步进驱动电路，对样机的性能进行测试和验证，建立起一套径向振动的单向步进式超声波电机的设计、计算、优化和测试方法，一方面使超声波电机实现类似于电磁电机的可靠步进运行；另一方面使步进超声波电机实现与同尺寸行波型超声波电机相匹敌的输出性能，充分发挥超声波电机的优势。

目前，带有位置传感器的闭环控制方法被广泛应用于超声波电机的步进运行中。其不足之处在于多步运行时将不可避免地带来累积误差，另外，复杂的驱动电路将限制设备的小型化发展。自校正式步进超声波电机通常式采用特殊的机械机构设计和控制方式配合，实现开环控制下的步进定位。这种电机的优势在于不需要闭环控制系统，就可以实现无累积误差的步进运行。由于超声波电机本身具有断电自锁、无电磁场干扰等优势，因此自校正式步进超声电机将在航空航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景。本项目在径向振动的驻波型超声波电机的基础上，设计并研究一种新型自校正式步进超声波电机，取得相应创新性成果。1) 分析了单向步进式超声波电机的结构及运行原理，研究了定子振动模型、电机推力模型、动力学模型及电学等效模型，并通过实验验证模型的正确性。2) 搭建工作电压下的阻抗特性测试平台，测试电机的步进特性与输出性能，并在理论模型基础上研究定子在不同驱动电压下的阻抗特性以及不同激励信号频率下的定子振幅。3) 电机驱动电路设计中，主要对推挽式变压器进行了研究，在有限元软件Ansoft Maxwell中搭建变压器模型，连接电机等效电路进行仿真。4) 应用DSP TMS320F28335主要功能模块，设计单向步进式超声波电机的驱动控制系统，设计PWM波产生模块、电压电流采样模块以及步进式控制、频率跟踪程序。通过理论与实验，本项目建立起一套单向步进式超声波电机的分析、设计、优化与测试方法，并实现高性能开环运行。与同类型步进电机相比，本文研究的新型结构的步进电机兼具体积小，转矩大和驱动方式简单的优势，具有极高的可扩展性。其驱动控制系的研究为该电机的进一步发展应用提供了研究基础。

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